微鼓形铝合金车体轻量化结构研制

微鼓形铝合金车体轻量化结构研制
王锴;王国军;罗宝;李春明;刘国玲
【摘要】介绍了一种B型铝合金车体结构的轻量化设计,通过对车体结构强度、模态等的有限元仿真,并结合试验进行了对比分析.结果表明,该车体结构的强度和刚度均满足设计要求.
【期刊名称】《技术与市场》
【年(卷),期】2016(023)010
【总页数】3页(P20-22)
【关键词】地铁车辆;微鼓形车体;有限元分析;铝合金
【作者】王锴;王国军;罗宝;李春明;刘国玲
【作者单位】中车株洲电力机车有限公司技术中心,湖南株州412001;中车株洲电力机车有限公司技术中心,湖南株州412001;中车株洲电力机车有限公司技术中心,湖南株州412001;中车株洲电力机车有限公司技术中心,湖南株州412001;中车株洲电力机车有限公司技术中心,湖南株州412001
【正文语种】中文
本文介绍了一款轻量化设计的微鼓形B型铝合金地铁车体。

车辆设计时速80
km/h,为四动两拖六节编组的双层地板、内藏门结构，采用第三轨下部受流，对整车的轻量化要求较高。

车体要求满足EN 12663-2000《铁路应用铁路车身的结构要求》中的强度和刚度，设计使用寿命至少为30年。

车体的设计按照如下原则展开，即在现有铝型材挤压技术、焊接技术下，采取优化
布置型材筋板、简化组装结构、采用搅拌摩擦焊结构等轻量化措施，优化设计车体结构，并通过充分的计算分析、试验验证和再优化设计，研制一款模块化、轻量化、低成本、焊接高安全性、高可靠性的铝合金车体。

本轻量化车体为整体承载的铝合金全焊接结构，由底架、侧墙、端墙、车顶和司机室骨架结构等部分组成，如图1所示。

其主要技术参数如下：
车体长度/mm 19 300
车体宽度/mm 2 800
车辆定距/mm 12 600
车门间距/mm 4 450
整备重量/空载(AW0)/t 31
超载(AW3)/人326
按照CJJ96中对BⅡ型车的限界要求，车体设计时充分利用了限界空间，扩展了
车辆内部的乘用空间，并依照人体工学原理，确定了车体的外部拐点及轮廓线。

如图2所示。

车体的主体结构均为大断面中空型材，主要有底架边梁、车顶边梁、端墙、门立柱、侧墙板、底架地板等，其总重占车体重量达80%。

随着挤压技术的发展，在满足
同等强度和刚度的情况下，国内企业能挤压出更小壁厚的大型铝型材。

在型材设计中，主要加强筋板厚度大多为2 mm。

同时，车体采用了搅拌摩擦焊技术，车体型材可以做得更轻，其焊接质量、平整度及结构安全性有了进一步提高。

2.1 有限元模型
本计算采用Hypermesh和ANSYS软件，根据车体型材和板材的不同厚度，将三维模型简化为不同板厚的几何中面，而后离散为具有相同材料属性的网格模型。

模型主要是三角形和四边形的壳单元构成，共729 559个，其中四边形壳单元672
755个，三角形壳单元5 123个，质量单元56 789个，刚体单元15个。

2.2 计算工况
参照标准EN12663-2000：铁路车辆车体的结构强度要求中PⅢ型车，共计算了26种主要工况，重点考核如下工况：AW0空载，AW3超载工况，AW3+车端压缩力，AW3+车端拉伸力，复轨，架车(包括枕梁、牵引梁的三点、四点架车)。

3.1 车体变形
AW3状态下，相对于无重力状态，底架边梁的最大垂向位移为7.3 mm。

满足GB/T7928—2003《地铁车辆通用技术条件》标准，“在最大垂直载荷作用下车体静挠度不超过两转向架支撑点之间距离的1‰”的刚度符合要求。

3.2 静强度分析
设计许用应力[σ]是由材料极限应力除以相应的安全系数得到的。

根据设计工况出现的概率和重要程度来确定安全系数的大小。

如运营载客工况，选用较高的安全系数1.3，复轨架车工况等选用较低的安全系数1.1。

超载状态下车钩压缩载荷工况，车体各主要零部件的应力如表1所示。

计算结果显示，各工况下车体结构及焊缝的计算应力均小于相应许用应力，满足设计要求。

3.3 疲劳分析
通过计算仿真，分析在承受垂向动载荷、横向动载荷、纵向动载荷的作用力下，车体结构各部位应力状况，并与材料及其焊缝的疲劳特征值对比。

结果表明：在上述载荷下，计算值均小于材料及其焊缝的疲劳特征值。

图3、图4 分别显示了最大动载荷下整车的疲劳应力云图和关键连接部位的疲劳应力。

3.4 模态分析
模态分析计算了两种工况，即空车自由模态和整备状态自由模态。

表2是车体空车自由模态和整备状态自由模态的前6阶计算结果。

通常，转向架的振动频率为4～6 Hz。

而车体整备状态下一阶垂向弯曲频率为9.24 Hz，为转向架振动频率的1.5倍以上，不会与转向架产生激振，符合设计要求。

4.1 静强度试验
AW3状态下压缩工况，是考核车体结构强度的重要工况，其试验测量的高应力点及安全系数，如表3所示。

试验结果表明：各加载工况下，所有测点应力值均小于许用应力，且留有一定的安全余量。

与有限元仿真对比，两者最大应力点出现在相同位置，误差小于8%，且整体应力变化趋势相同。

4.2 车体挠度试验
相比裸车状态下，AW3载荷工况车体的挠度变化如图5。

底架边梁最大变形量为5 mm，有限元仿真结果为5.4 mm，满足车辆承载的刚度要求。

4.3 模态试验
模态试验采用移动力锤激振法，在车体上布置加速度传感器测点。

通过对比测量数据与软件分析的估计频响函数，综合分析得出车体结构的有效模态。

模态试验中，试验频段频响函数拟合曲线与实际测量的误差控制在5%以内。

模态试验结果如表4。

对比表4与表2可知，裸车状态下车体模态试验与计算的振型基本相同，频率值偏差小于8%。

通过对车体结构进行有限元分析、试验验证，其结果表明车体的结构强度和刚度均满足EN12663-2010标准要求。

其车体结构的成功研制将为B型铝合金地铁车体的轻量化设计提供基础数据和平台支撑。

王锴(1982-)，男，湖南株洲人，西北工业大学材料加工工程硕士研究生，现从事轨道交通设计工作。

【相关文献】
[1] EN12663-2010，铁路车辆车体的结构强度要求。

[2] EN15085-2007，轨道车辆及其部件的焊接。